2025 Wie analysiert man PCB-Impedanz und -Verlust?

Einführung

PCB-Impedanz und Verluste sind entscheidend für die Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung. Um solch komplexe Übertragungskanäle zu analysieren, können wir ihre Auswirkungen auf Signale durch die Impulsantwort des Übertragungskanals untersuchen.

Was sind PCB-Impedanz und -Verlust?

Die Impulsantwort einer Schaltung kann durch die Übertragung eines schmalen Impulses gemessen werden. Ein idealer schmaler Impuls ist einer mit unendlich schmaler Breite und sehr hoher Amplitude. Wenn sich dieser schmale Impuls entlang einer Übertragungsleitung ausbreitet, wird er gedehnt, und seine Form hängt von der Antwort der Leitung ab. Mathematisch können wir die Impulsantwort des Kanals mit dem Eingangssignal falten, um die Wellenform des Signals nach der Übertragung durch den Kanal zu erhalten. Die Impulsantwort kann auch durch die Sprungantwort des Kanals gemessen werden. Da die Ableitung der Sprungantwort die Impulsantwort ist, sind die beiden äquivalent.

Es mag so aussehen, als hätten wir eine Lösung für das Problem gefunden, aber in Wirklichkeit existieren ideal schmale Impulse oder unendlich steile Sprungsignale nicht. Sie sind nicht nur schwer zu erzeugen, sondern auch schwer genau zu steuern. Daher werden in der tatsächlichen Prüfung oft Sinuswellen verwendet, um die Frequenzbereichsantwort zu messen, und die entsprechende Physical-Layer-Testsystemsoftware wird verwendet, um die Zeitbereichsantwort zu messen.

Im Vergleich zu anderen Signalen sind Sinuswellen einfacher zu erzeugen und ihre Frequenz- und Amplitudengenauigkeit sind leichter zu steuern. Ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) kann die Reflexions- und Übertragungseigenschaften eines Übertragungskanals bei verschiedenen Frequenzen genau messen, indem er eine Sinuswelle über einen Frequenzbereich von bis zu mehreren zehn GHz sweeped, mit einem Dynamikbereich von mehr als 100 dB. Daher werden VNAs hauptsächlich für die moderne Hochgeschwindigkeits-Übertragungskanalanalyse verwendet.

Wie analysiert man PCB-Impedanz und -Verlust?

Die Reflexions- und Übertragungseigenschaften eines System Prüflings für Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen können mit S-Parametern ausgedrückt werden. S-Parameter beschreiben die Übertragungs- und Reflexionseigenschaften des Prüflings für Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen. Wenn wir die Reflexions- und Übertragungseigenschaften eines Übertragungskanals für Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen bestimmen können, können wir theoretisch die Auswirkungen eines realen digitalen Signals vorhersagen, das diesen Kanal durchläuft. Dies liegt daran, dass im Frequenzbereich ein reales digitales Signal als aus vielen Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen zusammengesetzt betrachtet werden kann.

Für eine Single-Ended-Übertragungsleitung gibt es vier S-Parameter: S11, S22, S21 und S12. S11 und S22 spiegeln die Reflexionseigenschaften der Ports 1 bzw. 2 für Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen wider. S21 spiegelt die Übertragungseigenschaften von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen von Port 1 zu Port 2 wider, und S12 spiegelt die Übertragungseigenschaften von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen von Port 2 zu Port 1 wider. Für differentielle Übertragungsleitungen sind ihre S-Parameter komplexer, insgesamt 16, da sie vier Ports haben. Typischerweise wird ein Vektornetzwerkanalysator mit vier oder mehr Ports verwendet, um differentielle Übertragungsleitungen zu messen und ihre S-Parameter zu erhalten.

Warum sind Impedanz und Verlust so wichtig?

Das Erhalten dieser 16 S-Parameter für die gemessene differentielle Leitung offenbart viele wichtige Eigenschaften der Leitung. Beispielsweise spiegelt der SDD21-Parameter die Einfügungsdämpfung der differentiellen Leitung wider, und der SDD11-Parameter spiegelt ihre Rückflussdämpfung wider.

Wir können weitere Informationen erhalten, indem wir eine inverse FFT-Transformation an diesen S-Parametern durchführen. Beispielsweise ergibt die Transformation des SDD11-Parameters eine Zeitbereichsreflexionswellenform (TDR), die Impedanzvariationen entlang der gemessenen Übertragungsleitung aufdecken kann. Wir können auch eine inverse FFT-Transformation an den SDD21-Ergebnissen der Übertragungsleitung durchführen, um ihre Impulsantwort zu erhalten, wodurch die Wellenform oder das Augendiagramm digitaler Signale bei verschiedenen Datenraten nach dem Durchlaufen des differentiellen Leitungspaares vorhergesagt werden kann. Dies liefert sehr nützliche Informationen für digitale Designingenieure.

Zusammenfassung

Die Verwendung eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) zur Messung digitaler Signalübertragungskanäle greift somit auf HF-Mikrowellen-Analysetechniken zurück und ermöglicht hochgenaue Kanaleigenschaften innerhalb eines Frequenzbereichs von mehreren zehn GHz. Durch die Durchführung einfacher Zeitbereichstransformationen an den Messergebnissen können wir außerdem Impedanzänderungen entlang des Kanals und deren Auswirkungen auf die tatsächliche Signalübertragung analysieren. Dies ermöglicht es digitalen Ingenieuren, die Qualität von Backplanes, Kabeln, Steckverbindern, Leiterplattenund anderen Komponenten in einem frühen Stadium zu beurteilen, wodurch die Notwendigkeit entfällt, bis Signalprobleme auftreten, bevor hastig reagiert wird.